變壓吸附制氧在中小高爐中的應用及效益核算

摘要：本文簡要介紹了變壓吸附制氧（VPSA制氧）的原理和特點，以及VPSA制氧技術在中小高爐富氧噴煤中的使用情況。本文例舉了國內某兩家鋼鐵企業(yè)高爐技術改造使用富氧噴煤后，高爐工況的數(shù)據(jù)指標對比，結果表明變壓吸附制氧具有經(jīng)濟性好，靈活性大，安全性高的特點，是中小高爐富氧噴煤的理想選擇。

關鍵詞：變壓吸附制氧；VPSA；富氧噴煤；高爐

前言

20世紀70年代末的石油危機使得高爐噴油技術在世界范圍內逐步停止，為了避免全焦煉鐵，噴煤技術因此得到了快速的發(fā)展[1]。實踐生產表明，當噴煤量大于l00kg/t時會使爐缸溫度下降150~250℃以上。為了實現(xiàn)高爐大噴煤，世界許多工業(yè)發(fā)達國家如德國、日本等對富氧噴煤技術進行了大量研究開發(fā)和推廣工作[2]，目前國際先進水平的高爐噴煤比是180~200kg/t。在我國以鞍鋼為首的大型鋼廠早在1986年就已進行高爐富氧噴煤試驗，但目前國內整體水平仍與世界先進水平存在一定的差距，《中國鋼鐵工業(yè)科學與技術發(fā)展指南2006~2020年》中提出了高爐噴煤指標：2006~2010年全國重點鋼鐵企業(yè)噴煤量≥160kg/t，2011~2020年全國重點鋼鐵企業(yè)噴煤量≥180kg/t。

由 于能源政策等因素，我國許多高爐在初期設計時并沒有考慮富氧裝置，大部分高爐用氧一般來自煉鋼余氧，供氣量不穩(wěn)定，且?guī)淼男б娌幻黠@。隨著焦炭價格的不 斷升高和國家節(jié)能減排政策的逐步實施，這些企業(yè)技術改造升級迫在眉睫。目前一次性投資少，運行、維護成本低、操作方便、靈活的的變壓吸附制氧裝置成為很多 鋼鐵企業(yè)的首選。

1. 變壓吸附制氧概述

上世紀70年代初期，美國聯(lián)合碳化物公司首次將變壓吸附制氧技術工業(yè)化。70年代中期，真空變壓吸附(VPSA)制氧工藝的提出，大大提升了裝置的規(guī)模和經(jīng)濟性，為VPSA制氧技術大規(guī)模推廣應用奠定了基礎。1989年美國Praxair采用鋰型分子篩的VPSA裝置投入運行[3]，標志著變壓吸附制氧進入新的發(fā)展時期。我國對變壓吸附制氧技術的研究最早始于70年代，但由于技術條件限制，直到1991年在重慶才實現(xiàn)首臺150Nm3/h VPSA制氧裝置工業(yè)化應用。

北京大學化學與分子工程學院于1996年成功研制出鋰型高效制氧分子篩PU-8。2000年，隸屬于北京大學的北大先鋒科技有限公司成功將PU-8批量生產，產品性能達到國際領先水平。2001年北大先鋒采用以PU-8高效鋰分子篩的VPSA制氧裝置的中試取得成功，2001年實現(xiàn)工業(yè)化應用。。目前，北大先鋒已建成投運一百多套變壓吸附制氧裝置，最大規(guī)模VPSA制氧裝置已達到40700 Nm3/h產品氧氣，各項技術指標均達到了世界領先水平。

1.1VPSA制氧原理

VPSA制 氧基本原理是根據(jù)分子篩能選擇性吸附空氣中的氮、氧組分，使空氣中的氮氧分離而獲得氧氣。當壓縮空氣經(jīng)過分子篩床層時，空氣中易吸附的氮氣被分子篩吸附并 留在床層內部，而不易吸附的氧氣則在通過床層的過程中不斷富集，在床層頂部形成濃度較高的氧氣產品。當床層吸附達到飽和時，停止通入空氣并對床層進行抽 空，這時床層內部吸附的氮氣便會解析出來，從而使分子篩再生，為下次吸附產氧做準備。通過交替使用2臺或2臺以上吸附床，便能夠連續(xù)產氧。

1.2VPSA制氧特點

在中小裝置（純氧量小于20000Nm3/h規(guī)模上，VPSA制氧與傳統(tǒng)深冷制氧相比就有具有以下優(yōu)點[5]：

1)   在經(jīng)濟性上，VPSA制氧設備投資較小，操作費用低。

2)   在工藝流程上，VPSA制氧工藝流程更簡單，設備少且無太多精密設備，自動化程度高，對操作人員水平要求較低。

3)   在操作條件上，VPSA制氧操作溫度為常溫，操作壓力為常壓，裝置啟動和停止所需時間短(≤30分鐘)，可間斷運行也可連續(xù)運行，負荷調節(jié)范圍更大。

4)   在運行維護上，VPSA制氧無碳氫化合物積累，無爆炸可能，主機精密度低，維護簡單，對閥門密封性要求不苛刻，故障率低且容易及時處理。

VPSA制氧的產品較為單一，但在用氧純度不高的中小高爐上，VPSA制氧的優(yōu)勢較大。

2. 高爐富氧對冶煉的影響

高爐富氧鼓風后，增加了接觸煤粉的氧氣濃度，有利于煤粉的燃燒，能提高爐缸溫度，增加噴煤比，其對冶煉過程的影響如下：

1)   提高高爐冶煉強度。隨著高爐入口氧濃度增加，煤粉和焦炭的燃燒能力隨之提高，從而提高高爐的冶煉強度。理論上鼓風含氧量提高1%，冶煉強度提高4.76%，實踐生產中一般提高3%~5%[6]。

2)   有利于爐況順行。高爐富氧后燃燒相同的碳，燃燒產物的體積下降，相當于高爐減風，爐內煤氣上升阻力減少，對高爐工況順行有利。

3)   降低高爐焦比。高爐富氧后綜合焦比一般變化不大，但在增加噴煤量的同時就能促使焦比降低。

4)   提高高爐煤氣熱值。高爐富氧后減少了煤氣中的氮氣，煤氣中有效的CO、H2比例相對增加，煤氣熱值提高。根據(jù)生產實踐，高爐富氧后熱風爐普遍反應好燒爐。

5)   有利于冶煉能耗高的鐵種。對于冶煉鑄造鐵、硅鐵等耗熱量大，綜合焦比高的鐵種，高爐富氧可以極大減少能耗，并能提高產量。

3. 中小高爐VPSA制氧應用實例

國內介紹大型高爐富氧噴煤應用的文章較多，但對于VPSA制氧在中小高爐中的應用介紹較少。目前，北大先鋒已經(jīng)為國內多家鋼鐵企業(yè)高爐配套VPSA制氧裝置，下面簡要介紹兩套中小高爐配套VPSA制氧設備的使用情況。

3.1VPSA制氧裝置使用成本

VPSA制氧裝置的基礎建設成本低于傳統(tǒng)深冷制氧裝置，而且使用成本更加低廉。北大先鋒VPSA制氧裝置每立方米純氧電耗約為0.35kWh。

3.2山西某鋼鐵企業(yè)1

該企業(yè)高爐富氧配套的是一套2400Nm3/h純氧VPSA制氧設備，高爐富氧率約為4%。目前，該套VPSA制氧裝置已經(jīng)使用2年，一直運行穩(wěn)定。自從對高爐技術改造使用富氧噴煤后，該企業(yè)高爐工況變化明顯，具體情況見表3.1。

表3.1 山西某鋼廠1高爐富氧噴煤數(shù)據(jù)

從表3.1中可以看出，富氧后高爐利用系數(shù)增大約15%，噴煤比增加約41%，入爐焦比減少約17%，風溫一直保持在較高值。此外該企業(yè)煤氣發(fā)電廠6000kW機組發(fā)電量比富氧前增加30%，所增加發(fā)電量除了滿足VPSA制氧使用外還富余1000kWh /天。

高爐富氧生產每噸鐵大概需要消耗純氧58m3，增加成本約15元；每噸鐵噴煤增加約50kg，焦炭減少約70kg，節(jié)約成本約64元(噴吹煤按750元/t計，冶金焦按1450元/t計)。因此，不計算其他效益，僅此兩項指標每噸生鐵所節(jié)約的成本為49元。

3.3山西某鋼鐵企業(yè)2

該企業(yè)高爐富氧配套的是一套2700Nm3/h純氧VPSA制氧設備，高爐富氧率約為6%。目前，該套VPSA制氧裝置已經(jīng)穩(wěn)定運行近1年。在高爐技術改造使用富氧噴煤后，該企業(yè)高爐具體情況見表3.2。

表3.2 山西某鋼廠2高爐富氧噴煤數(shù)據(jù)

從表3.2中可以看出，富氧后高爐利用系數(shù)增大約15%，噴煤比增加約47%，入爐焦比減少約15%，風溫提高約40℃。此外該企業(yè)煤氣發(fā)電廠3000kW機組滿負荷發(fā)電，剩余煤氣放空。

高爐富氧生產每噸鐵需要消耗純氧約92m3，增加成本約24元；每噸鐵噴煤增加58kg，焦炭減少75kg，節(jié)約成本約65元(噴吹煤按750元/t計，冶金焦按1450元/t計)。不計算其他效益，僅此兩項指標每噸生鐵所節(jié)約的成本為41元。

4. 結論

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，VPSA制氧技術已經(jīng)十分成熟，在用氧規(guī)模不大的前提下，VPSA制 氧裝置與深冷制氧裝置比具有投資少，開停機方便，使用、維護成本低等優(yōu)勢。隨著國家環(huán)境保護和節(jié)能減排政策的逐步實施，以及鋼鐵行業(yè)目前的微得甚于虧損狀 態(tài)，傳統(tǒng)高爐高消耗，高排放，高成本，低效益，低環(huán)保的狀態(tài)已經(jīng)無法滿足企業(yè)及社會發(fā)展的需要。對于鋼鐵企業(yè)中急需技術改造的中小高爐來說，VPSA制氧經(jīng)濟性好，工藝簡單，操作方便，無需高技術人才，靈活性大，安全性高，是高爐富氧噴煤的理想選擇。